尾矿库坝体稳定性分析——以菁门口尾矿库为例

尾矿库坝体稳定性分析——以菁门口尾矿库为例
冯尚荣;陈庆涛;冉宇
【摘要】本次设计资料数据通过参考相关文献以及设计说明来对会理县溢壕公司菁门口尾矿库进行具体设计分析.先从地质、水文气象以及坝体属性概况等环境因素进行评价,来获得是否满足建立尾矿库的环境要求;之后通过获取尾矿设计参数先得到极限平衡法中尾矿库抗滑稳定性的安全系数以及不同材料下坝坡稳定性的计算参数,之后来对菁门口尾矿库不同水位的安全系数分析以及对拦洪坝、拦泥坝的稳定性进行具体应力计算分析.最后利用Autobank软件中的Seepage渗流计算模块,结合尾矿库的设计材料来对尾矿库洪水以及正常情况下的渗流场进行模拟分析.得出以下结论:1)尾矿库地下水量少,地形条件良好,降水量集中,气候环境较为适宜;尾矿库临近金沙江,排洪能力较好,以及地质类型结构较为稳定,无大型地震等危险地质活动,符合尾矿库安全运行的环境条件;2)通过极限平衡法计算结果判定尾矿库坝体的抗剪断、抗滑能力(K'')符合应力要求,浸润线在洪水和正常工况下的高度和干滩长度符合规范要求.
【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2019(037)003
【总页数】6页(P309-314)
【关键词】尾矿库;稳定性分析;瑞典圆弧法;简化毕肖普法
【作者】冯尚荣;陈庆涛;冉宇
【作者单位】成都理工大学,610000,成都;成都理工大学,610000,成都;成都理工大学,610000,成都
【正文语种】中文
【中图分类】TD926.4
0 引言
我国矿产资源丰富，需求量大，同时也导致矿山企业的必要组成构筑物——尾矿库数目巨大[1]。

尾矿库是矿山生产建设的重要设施之一，是一个具有高势能的人造泥石流源，存在着溃坝、滑坡、崩塌、泥石流等危险隐患，是矿山开采以来人们一直研究的一个领域[2]。

尾矿库一旦失事, 将会给当地的工业、农业生产以及尾矿库下游居民的生产财产造成巨大的灾害和损失[3]。

2009年之前，尾矿库每年总是会发生多起重大危害人民群众财产的安全事故。

而在2009年过后情况有所好转，至今每年只发生3～5起尾矿库事故[4]。

关于尾矿坝稳定性分析的方法主要包括极限平衡分析方法和数值分析法[5]。

本文采用极限平衡法中的瑞典圆弧法、简化毕肖普法和坝体浸润线情况，以及结合尾矿库实际环境情况来对稳定性进行分析。

1 工程概况
四川省会理县溢壕矿业开发有限公司菁门口尾矿库，位于金沙江左岸约1.1 km的会理县绿水乡白云村菁门口沟内。

库区位于白云村四组和六组，拟建初期坝坝轴线重点位于东经E101°54′54.53″、北纬N26°15′0.79″，金沙江对岸上游约12.9 km 为成昆铁路线上的拉鲊车站。

库区有乡村公路约5 km菁白云村与拉拉铜矿接，经河口，黎溪镇至黎州与国道G108连接，距黎州50 km，沿着G108国道往北64 km可抵达会理县城，交通较为便利(图1)。

尾矿库总容825.62万m3，有效库容619.21万m3，初期坝高68.0 m，堆积坝高130.0 m，总坝高198.0 m，属三等库，服务年限15.2 a。

初期坝库容74.46 万m3，有效库容52.12 m3，总坝坡比为1:4.5，坝长根据计算得到长度为202
m。

2019年为止可用库容为300.62 万m3。

图1 会理县地理位置
尾矿堆积坝最终标高1 320.00 m，坝高130.0 m，由13级子坝构成。

每10.0 m 坝高为一级子坝，设置一宽度为5.0 m长的马道，在马道内侧设置0.5×0.5 m2断面的纵向排水沟。

放矿时应保持沉积滩坡度为1:100，最小干滩长度不应小于70.0 m。

在坝坡两侧与山体相交处设有1.0×1.0 m2排洪沟，与各级马道排水沟保持畅通。

尾矿库汇雨面积3.69 km2，其中库外汇水面积5.60 km2，库内汇水面积1.14 km2。

主要由库内4条小冲沟汇集而成，其中库外有2条冲沟。

采用库内、库外洪水分排，库外采用拦洪坝+拦泥坝+排洪隧道的排洪方案。

库内洪水采用斜槽+竖井+排洪隧道的排洪方案(图2)。

图2 汇水面积分区示意图
由于菁门口尾矿库库容较小，且下游约800 m为金沙江，尾矿库失事对下游影响较小，故尾矿库防洪标准取下限值，p=0.2%。

排洪系统由库内排洪系统和库外排洪系统构成，库外排洪系统根据实际地形条件，将比较集中的洪水进行拦截，引入排洪隧道。

库内排洪系统采用排水斜槽进水，洪水进入斜槽后由汇集转换井通过竖井和隧洞排至尾矿库下游。

2 尾矿库安全影响因素分析
尾矿库安全性主要考虑以下4点影响因素。

2.1 区域环境
尾矿库区域内环境的稳定性主要从地质灾害、不良地质作用、节理裂隙对坝体的影响等方面进行评价[6]，其稳定性不仅与尾矿库运行期间的坝体、坝基渗漏和稳定有密切联系，而且排洪构筑物的地质条件也对库区安全也有着重要的影响[7]。

2.2 水文气象
本文所考虑的尾矿库区地区地处金沙江左岸，受热带季风气候影响，有明显的干湿季节之分。

据网上累计30 a气象资料，降雨量主要集中在每年的6-10月份。

如
表1所示。

表1 尾矿库水文气象统计图水文气象项目年量年平均量降雨1 661.6～727.7
mm1 124.9 mm蒸发2 047～1 551 mm1 821 mm气温-5.8～34.7℃15.3℃湿
度-69%风16.7 m/s1.5 m/s
尾矿库的正常运行受区域水文气象条件的影响，尾矿坝浸润线及库区水位的变化都与降水紧密相关。

强降雨的影响主要是渗透破坏和洪水漫顶[8]。

而大暴雨引发的
山洪灾害，可能由于排水系统泄洪能力不足导致漫顶。

洪水能够加大尾砂的运移速度和规模, 其造成的溃坝一般都是大事故，要足够重视[9]。

2.3 水流地质
沟内地下水埋深与地下水流程中所通过地段的下伏基岩高低密切相关，上游支沟段沟内堆积层薄，地下水埋深较浅且出露地表点较多；而主沟段沟内堆积层较厚，在地下水水量较少的情况下，水位揭露较深接近基岩顶部，据此推测侧沟内基岩低洼地段存在凹地积水区，含水层厚而且较少参与水量循环。

2.4 筑坝材料
筑坝选择时利用库区内周边的丰富石料，排出了易受水风化影响的泥灰岩、砂质岩，库区冲沟内碎石层充填砂和少量细粒粘性土。

3 尾矿库坝体稳定性分析
尾矿坝的稳定性分析一般采用传统的边坡或水坝稳定性分析方法[6]。

由于尾矿坝
技术起步较晚, 尚未形成独立的稳定性评价体系, 因此一般采用基于极限平衡理论
的瑞典圆弧法和简化毕肖普法对其进行稳定性分析[5]。

3.1 安全系数的确定
根据《尾矿设施设计规范》(GB50863—2013)[8]表4.4.1-2，尾矿坝的抗滑稳定
安全系数见表2。

表2 坝坡抗滑稳定的最小安全系数计算方法运行条件1234、5简化毕肖普法正常运行1.501.351.301.25洪水运行1.301.251.201.15特殊运行1.201.151.151.10
瑞典圆弧法正常运行1.301.251.201.15洪水运行1.201.151.101.05特殊运行
1.101.051.051.00
3.2 稳定计算方法
瑞典圆弧法表达方式(总应力法)：
式中：Ro位滑弧半径；Mc为水平向地震惯性力对圆心的力矩，其中为第i土条
的水平地震惯性力总和；∑Dv为第i土条的垂直向地震惯性力的总和；A为土条地面中心点处切线与水平线的夹角；∑Wk为计算抗滑力时单位宽度土条的重量；
∑Wh为计算滑动力单位宽度土条的重量；C,φ为固结不排水剪应力强度指标。

抗剪断强度的计算公式为：
式中：K′为按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；f′为坝体混凝土与坝基接触面
的抗剪断摩擦系数；C′为坝体混凝土与坝基接触面的抗剪断凝聚力(kPa)；A为坝
基接触面截面积(m2)；∑W为作用于坝体上全部荷载对华东屏幕的法向分值(kN)；∑P为作用于坝体上全部荷载对华东屏幕的切向分值(kN)。

抗滑强度的计算公式为：
式中：f为坝体混凝土与坝基接触面的抗滑摩擦系数。

坝基截面的垂直应力计算公式：
式中：σy为坝踵、坝趾垂直应力(kPa)；∑W为作用于坝段上的全部荷载在坝基截
面上法向力的总和(kN)；∑M为作用于坝段上的全部荷载对坝基截面形心轴的力矩总和(kN·m)；A为坝段的坝基截面积(m2)；X为坝基截面上计算点到形心轴的距离(m)；J为坝段的坝基截面对形心轴的惯性矩(m4)。

3.3 计算结果
本次菁门口尾矿库稳定性计算按《尾矿库安全技术规范》(AQ2006-2005)进行，采用瑞典圆弧法计算条件时坝坡抗滑稳定最小安全系数。

由菁门口尾矿库设计资料得到尾矿坝坝坡稳定计算参数如表3所示。

表3 菁门口尾矿库坝坡参数序号名称内摩擦角/o内聚力/C天然容重浮容重水上水下水上水下1碾压堆石38.038.00021.011.02碾压石渣
32.030.010.010.018.010.03尾中砂34.034.07.847.8418.010.04尾细砂
33.033.07.847.8418.510.55尾粉砂30.030.09.89.819.011.06基岩
40.039.0100.0100.024.015.0
将以上菁门口尾矿坝坝坡参数带入上述瑞典圆弧法的总应力法和有效应力法，经计算得出该坝体安全性结果如表4所示。

表4 瑞典圆弧法计算结果序号时段计算方法地震安全系数(K)规范值结论13正常水位有效应力法瑞典法/2.231 41.2满足总应力法瑞典法/2.231 41.2满足57洪水位有效应力法瑞典法/1.839 91.1满足总应力法瑞典法/1.839 91.1满足
从表4可以得到，菁门口尾矿坝坝坡安全系数均大于规范值，满足工程安全性要求。

现对拦洪坝1、拦洪坝2、拦泥坝1和拦泥坝2的抗剪断强度、抗滑强度做出计算，其坝体计算结果见表5～表8。

表5 拦洪坝1计算结果计算条件∑W∑P∑MAJff′C′K[K]备注抗剪断3 940.001 620.00////1.201.503.023.00满足抗剪39 400.001 620.00///0.65//1.581.05满足坝基应力//-7 299.6021.00771.75///88.30σ>0满足
表6 拦洪坝2计算结果计算条件∑W∑P∑MAJff′C′K[K]备注抗剪断1
098.80245.00////1.201.505.383.00满足抗剪1 098.80245.00///0.65//2.921.05满足坝基应力//-827.2511.60130.07///27.95σ>0满足
表7 拦泥坝1计算结果计算条件∑W∑P∑MAJff′C′K[K]备注抗剪断3 940.001 620.00////1.201.503.023.00满足抗剪39 400.001 620.00///0.65//1.581.05满
足坝基应力//-7 299.6021.00771.75///88.30满足
表8 拦泥坝2计算结果计算条件∑W∑P∑MAJff′C′K[K]备注抗剪断2 973.601 112.40////1.201.503.213.00满足抗剪2 973.601 112.40///0.65//1.741.05满足坝基应力//-2 219.5717.60454.31///117.66σ>0满足
表中：[K]为规范要求的最低安全系数值，∑W、∑P、∑M、A、J、f、f′、C′均由溢壕公司提供或经其基础数据计算而得到。

通过对以上4种坝坡进行安全性计算，
可以看出：拦洪坝1、拦洪坝2、拦泥坝1和拦泥坝2的抗剪断强度、抗滑强度安全系数均大于规范要求最小值，均满足规范要求。

因此，可以判定由计算安全系数方法得到的拦洪坝1、拦洪坝2、拦泥坝1和拦泥坝2的抗剪断强度、抗滑强度是安全稳定的。

3.4 尾矿库坝体浸润线
浸润线是尾矿库的生命线，一直以来尾矿库渗流问题一直是矿山安全领域研究的一个重点和难点[9]。

统计表明，尾矿溃坝大部分原因是由于渗流控制不当造成的[10]。

经分析尾矿库溃坝事故原因发现，某些尾矿库坝体的稳定性差，浸润线偏高，若坝坡渗水，不仅降低坝体抗剪强度，而且当溢出点的渗透坡降较陡时，坝坡还
有可能发生流土、管涌破坏等严重后果[11]。

应用Autobank7.05软件中的Seepage渗流计算模块对该尾矿坝正常运行和洪水运行情况下的渗流场进行模拟
分析(图3～图8)，计算式初期坝取坝高程1 290 m，坝高68 m，堆积坝取坝顶
高程1 345 m，总坝高223 m。

水位模拟工况为干滩面的距离为70 m(洪水水位
条件)和200 m(正常水位条件)。

地基按岩土工程地勘报告提供数据采用，尾砂物
理力学指标参考其他类似工程，各分区材料渗透系数指标见表9所示。

表9 材料渗透系数制表基岩碾压堆石碾压石渣尾中砂尾细砂尾粉砂
K1.0×1.0×1.0×1.0×1.0×1.0×
图3 1 290 m标高下的计算模型
图4 1 290 m标高下正常工况下浸润线
图5 1 290 m标高下洪水工况下浸润线
图6 1 345 m标高下的计算模型
图7 1 345 m标高下正常工况下浸润线
图8 1 345 m标高下洪水工况下浸润线
得到模拟结果如表10所示。

表10 模拟结果表标高工况1 290 m正常1 290 m洪水1 345 m正常1 345 m
洪水堆积坝高度H187.48190.76241.23243.62渗流量(进)/·s-106.741.418.21浸润线高度/m34.7223.3129.3915.39干滩长度/m200.14100.22200.05100.51
根据表10模拟结果显示，标高一定的情况下，有洪水渗入的坝体渗流量明显增加，浸润线高度、干滩长度高度降低，安全性下降，与实际情况相符，从而证明了模拟的正确性。

在相同工况下，高程较高的坝体干滩长度无显著变化，但渗流量增加、浸润线高度降低，从而降低了坝体的安全性；在洪水运行工况下，由于入渗点和积滩滩顶的距离变小，浸润线较正常运行工况下都有比较大的提升。

图5和图8在
洪水运行工况下的浸润线均高于坡顶，有发生渗流破坏的可能。

但是，在洪水运行状态时，剖面安全超高约 0.7 m，规范规定三等库最小安全超高为 0.7 m，因此尾矿库符合规范要求。

日后继续控制尾矿库放矿方式，加大尾矿库干滩坡度以加大尾矿库安全超高，防止洪水漫顶现象。

4 结束语
本次对菁门口尾矿库的坝体稳定性进行分析。

首先了解尾矿库的影响安全因素，从
区域环境、水文气象、水流地质等因素得到尾矿库环境符合安全运行要求；之后通过极限平衡法结合尾矿库计算参数得到坝体荷载∑W、∑P、∑M，通过文中抗应力公式计算得出在各种工况下的拦洪坝、拦泥坝的抗剪断以及抗滑能力K以及坝基应力均满足规范要求，具有较高的安全储备。

而浸润线作为尾矿库稳定性的重要条件，利用Autobank7.05的Seepage模块对尾矿库不同工况下的浸润线高度进行模拟计算得到结论，尾矿库在洪水以及正常工况下的浸润线和干滩高度均符合安全要求。

结合菁门口尾矿库的实际情况，有关部门应完善或检查相应的在线监测系统来保障尾矿库的安全运行。

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